照明与照明的起源

照明与照明的起源

因为太阳，才有照明。随着时间的推移，有照明，就有照明。光是人类生存与发展的生命之源,同时光也改变了人类的生活方式。据研究,在人类获得周围环境及生存的外界信息中,有80%是通过光刺激视觉得到的。而人类对照明灯具的使用,要追溯到原始人对篝火的发现和人类自身对照明的需求。人类照明最初用的是篝火和火把,篝火是在野外架木材、树枝燃烧的火堆,火把也称单植枝烛,是指用单根植物枝条点燃来照明,篝火和火把没有专门的灯具。早在石器时代,人类开始有目的地使用火,用火取暖﹑烤熟食品,使用松明和人造火把(用动物油脂浸渍木条)作为光源,所谓光源就是能发光的物体,从而揭开了照明工程的序幕。1国外照明光源发展史15000年前,法国拉斯科Lascaux岩洞,已出现人类第一盏灯,这种灯是在空心石或贝壳或其他类似物中放入浸满动物油脂的苔藓等植物,并用于点燃照明的器具。公元前5000年,人类用油脂多的鸟和鱼通过一灯芯点燃照明,在地中海一带,人们用芝麻和坚果等植物油或鱼油照明。公元前2000年,巴勒斯坦已出现人造灯。大约在公元前7世纪,希腊人已开始制作赤土陶器灯以替代手执火把。人类的照明方式进入了“见光必见灯”的时代后,火焰是唯一发出照明光线的来源,但各种火焰光源有如下缺陷:不安全、不可靠、不清洁,以及发光效率低下、功率太小和发光不稳,无法在火焰四周加上各种控制光分布的光学系统从而得到各种配光分布的灯具。到了中世纪,人工照明由简单的木柴蘸油演进到油灯和蜡烛,大约在蜡烛作为光源的时期出现了专门的灯具。火作为照明光源也在不断地演变,从火把、松节油火把、蜡烛发展到煤油灯。1558年,巴黎街道上设置了装有松脂或木条的容器,天黑时点燃松脂或木条照明;1667年冬季,在一些街道上改用油灯照明。在欧洲17世纪中叶的“洛可可”(Rococo)时期,水晶灯饰是配用金属灯架悬挂天然水晶或石英垂饰并燃点蜡烛的照明装饰灯具。1783年,瑞士化学家AmiArgand首次在油灯外加装玻璃灯罩,并配用空芯灯芯。1784年,煤气开始作为照明燃料使用。1792年,WilliamMurdoch发明了气体火焰灯(煤气),这种灯开始广泛推广应用。1804年,德国发明家FreidrichWinzer是第一个获得煤气照明专利的人。1810年,DavidMelville是第一个获得美国气体灯专利的人。1816年,美国巴尔帝摩(Baltimore)市的街道采用气灯照明,这种灯是在燃烧之前先将燃料汽化,汽化后再进行燃烧。这种灯提高了燃料的利用率,还提高了火焰的温度,有效地将黑体辐射峰值向可见光谱区移动,从而增加火所发出可见光的效率。这种气体火焰灯被认为是人类利用火作为照明光源的最高水平。在19世纪初期,美国及欧洲的街道主要采用气体火焰灯照明,直到1879年白炽灯发明的实用化,气体火焰灯才逐渐退出历史舞台。进入19世纪,人类开始步入电气照明时代,人造照明光源经历了四个发展阶段:白炽灯、荧光灯、气体放电灯和半导体固体光源,人造光源有效避免了火焰光源的缺陷,既保持“见光就见灯”的同时,又使照明逐渐向“有光必有灯”的方向发展。1802年,理特发现紫外线,但直至20世纪30年代,第一只紫外灯管才被研制出来。1802年,英国HumphreyDavy在英国皇家学院阐述了人造电光源设想。同年,俄国彼德罗夫教授论述了碳极电弧发光现象,并提出了弧光照明,这是人类关于电光源照明的最早言论。1809年,英国HumphreyDavy矿灯的发明者——化学家HumphreyDavy用2000个伏打电池进行了类似的碳极电弧发光试验。1842年,法国人在弧光装置上加上钟表装置实现自动调节碳棒间距离,第一只碳极弧光灯诞生。1867年,CharlesWheatstone和WernerSiemens发明了自激发(self-excited)发电机,电弧灯开始照亮法国巴黎街道,取代了几万盏煤气灯,见图1。1876年,俄国技师雅布洛奇可夫对弧光灯进行了重要改进,两根碳棒轮流作为阴阳极,保证了两根炭棒烧损速度相等,两根垂直的碳棒像蜡烛一样发光,燃烧时间为2h,俗称为“电烛”,其光效率达40~60lm/W,但其缺点是寿命短,辐射大量的紫外线,并释放有害气体,在白炽灯出现后,全部被淘汰。1879年,美国的CharlesF.Brush发明了用于街灯的碳电弧灯。电应用于照明是从碳极弧光灯开始的,碳极弧光灯的问世开辟了电光源照明的新时代,它标志着人类实现了由电到光的转化过程。1815年8月以后,英国化学家HumphreyDavy研制出煤矿安全灯,避免了煤矿瓦斯爆炸,这种灯沿用到20世纪30年代。此后,被电池灯逐渐取代。1851年,英国伦敦海德公园落成了国际博览会展厅——水晶宫,夜晚以铸铁为支架的大玻璃罩屋面将室内光明透射到户外,整个建筑晶莹透亮,成为当时伦敦的一大景观,这也是最早的内透光夜景照明形式。1853年,煤油灯开始在德国推广应用。1854年,德国HenricqGoebel首次研制出竹制碳丝玻璃灯泡。1857年,法国物理学家AlexandreE.Becquerel分析了荧光和磷光现象,并从理论上预测了可制作荧光灯管,这一荧光灯管同今天的荧光灯管相似。他也进行了在放电管上涂有发光材料的实验,这一试验工艺在后来的荧光灯研究中得到进一步的发展。1875年,加拿大多伦多的HenryWoodward和MatthewEvans获得白炽灯专利。1878年,英国物理家JosephSwan和美国发明家托马斯·爱迪生(ThomasAlvaEdison)各自独立地研制出具有实用意义的真空白炽灯泡,这一技术类似于德国HenricqGoebel的发明,图2为爱迪生研制的铂丝白炽灯。1879年10月,爱迪生小组研制出寿命为14h的真空碳丝白炽灯,12月开始商业化生产,其碳丝是用棉线烧成的,第二年即在1880年,改为竹子烧制,并首先在“S.S.Columbia”号蒸汽船中实现了商业应用;从1880年到1893年,白炽灯灯丝为竹制灯丝,图3是1884~1886年间的铜头竹碳丝白炽灯图片,碳丝白炽灯结构示意图见图4,1880年,爱迪生白炽灯获得美国专利USP223898授权。1891年,荷兰皇家飞利浦电子集团(简称飞利浦公司)开始生产白炽灯泡。从1878年到1928年,爱迪生申请了电灯的相关专利1093个,从此取代了传统的火焰光源,引发了一场照明技术的革命,开创了人类电光源照明的新时代。这一时期除了爱迪生小组进行白炽灯研究外,还有美国的MosesFarmer,WilliamSawyer,AlbonMan和HiramMaximEdison及英国的St.GeorgeLane-Fox和JosephSwan等人。一百多年来,白炽灯成了人们生活中必不可少的东西,最初碳丝白炽灯光效只有1.4lm/W。1900年,成熟的碳丝白炽灯发光效率为3.5lm/W。1898年,澳大利亚CarlAuervanWelsbach研制出锇丝白炽灯,其发光效率为5.5lm/W,但成本高。1902年,德国WernervonBolton和OttoFeuerlien研制出钽丝白炽灯,其发光效率为5lm/W。1904年,三种不同非螺旋型钨丝灯已出现在欧洲市场,其发光效率为8lm/W,见图5。1910年,美国通用电气GE公司(1892年,由美国的三大照明公司中的Edison公司和Thomson-Houston公司合并而成)的WilliamD.Coolidge研制出钨丝白炽灯;图6为1911年Osram公司生产的40W钨丝灯,钨丝灯的光效和寿命比碳丝灯又提高了一个水准,其发光效率为10lm/W,用钨丝作灯丝制作白炽灯,这是照明技术发展史上的又一座里程碑,钨丝的引进使得白炽灯在同煤油灯、煤气灯、汽油灯的竞争中取得了决定性的胜利;目前的白炽灯泡发光效率为14lm/W,寿命约为1000~1500h,但白炽灯用电能转换为光能的平均效率只有10%,其余90%的能量被浪费。1901年11月,美国工程师PeterCooperHewitt水银灯专利获得批准,这种灯是荧光灯前身,也是首只使用汞蒸气的弧光灯,但水银灯发出的是耀眼的蓝绿色光,其显色指数不高,曾用于道路照明和黑白影室摄影,见图7。GeorgeWestinghouse和PeterCooperHewitt组建了美国著名的照明公司Westinghouse公司,图8为1936年GE公司生产的S-2型85W紫外太阳灯。1906年,美国照明工程协会成立,它关注照明光对人的视觉影响,GE公司MatthewLuckiesh提出照明为视觉科学(TheScienceofSeeing);同年,底库赫和雷欣斯凯发现了高压汞蒸气放电现象。1910年,法国科学家GeorgesClaudé研制出氖放电灯-霓虹灯,其发光效率为15lm/W,同年12月,他将其制造的第一只商业性霓虹灯安装在巴黎的皇宫大厦;1915年,他的霓虹灯发明获得专利授权,他开创了霓虹灯广告标识的新时代,早期的霓虹灯充的是氖气(Neon),霓虹为氖气“Neon”的发音。霓虹灯的第二位成员是阴极辉光放电型霓虹灯,它是由美国GE公司的DanielMacFarlanMoore发明的。到20世纪30年代,研制出色彩丰富的荧光粉发光型霓虹灯,图9为Osglim公司1935年生产的5W蜂巢霓虹灯,灯中字符为N。图10为1975年GEC公司生产的NE/H型400W线型泛光照明灯。至20世纪70年代,霓虹灯开始应用稀土三基色荧光粉。1913年,市场上出现了美国通用电气GE公司IrvingLangmuir(兰米尔)研制出的功率大、寿命长、效率高的充氮气螺旋形钨丝灯泡,这种灯减少了热传导损失,其发光效率不小于12lm/W,其商标为“Mazda”;并且他还发明了小功率、高效率的充氖气灯泡。1936年,人们研制出双螺旋灯丝,提高了充气白炽灯的工作温度及其发光效率,图11为1919年Philips公司生产的100W充气钨丝灯。1917年,爱因斯坦提出了辐射吸收及发射理论,这是激光技术的理论基础。1923年,康普顿和范沃希斯研制出发出黄色光的低压钠灯,其发射波长为589.0nm和589.6nm。1932年,英国的GE公司、荷兰Philips公司和德国的Osram公司合作生产出低压钠灯,荷兰人首先开始在街道上用低压钠灯照明,其发光效率为40lm/W,到1960年,其发光效率为100lm/W。1964年,SOX型低压钠灯使用金属氧化物薄膜后,其光效显著提高,这是因为金属氧化物薄膜对红外光有较高的红外反射特性而对可见光有较大的透光率。1964~1966年,采用锡氧化物薄膜的SOX型低压钠灯已出现在市场上,图12为典型的SOX型结构图,图13为1966年Philips公司生产的SOX型40W涂有锡氧化物红外薄膜的低压钠灯。1983年,改进的SOX-E型低压钠灯发光效率达200lm/W。1932年,英国的GE公司研制出螺旋插座高压汞灯,其发光效率为40lm/W,1937年125W石英MB型高压汞灯投入生产,并开始大量用于道路照明,但高压汞灯的光效和显色指数不佳,图14为Mazda公司在1947年生产的MB/V型80W高压汞灯图片。1932年,飞利浦(Philips)公司推出100W高压钠灯,见图15,其电流为0.6A,光效为62lm/W,见图16。1962年,美国GE公司宣布研制出新型高压钠灯HPS;1965年开始销售高压钠灯;1967年进行了重新设计,它的光效大于100lm/W,寿命大于2000h。如今高压钠灯光效达到120~150lm/W,寿命可达20000h,为白炽灯的10~15倍,相当于当时广泛用于道路照明高压汞灯光效的3~4倍,它为道路照明提供了一种新的高光效长寿命的光源。在1973年世界性的能源危机之后,高压钠灯的应用更为广泛,并在很多场合取代了高压汞灯。另一种高效低压钠灯的发展也极为迅速,它的光效高达180~200lm/W。20世纪30年代,低压钠灯和高压汞灯开始用于街灯照明,科学家开始研究光致发光机理,并研制出摄影用化学闪光灯。1934年,美国科学家ArthurCompton向GE公司报告,发现了绿色荧光灯,其发光效率为3.0lm/W。1935年9月,美国GE公司GeorgeE.Inman和RichardThayer突破了启动装置的设计与制作大关,制作出实用的荧光灯照明系统,这种荧光灯是在水银灯管内壁涂上荧光物质,1936年,美国GE公司研制的涂覆磷酸盐低压荧光灯在美国照明协会和海军展示;1938年,这种荧光灯开始销售;1939年,美国GE公司和Westinghouse公司在纽约世界博览会和旧金山金门博览会展示了直径为38mm的荧光灯,光效为40lm/W;1941年10月,GeorgeE.Inman的美国专利USP2259040(专利申请日期为1936年4月)授权。由于荧光灯输出光与日光相似,因此又称为“日光灯”,从此日光灯开始了广泛的应用,其光效从最初的30lm/W逐步提高至目前的105lm/W。图17为1950年GE公司的14WMazda荧光灯。实际上,20世纪20年代末期美国的GE公司和Westinghouse公司以及30年代初的法国都进行了在霓虹管涂覆磷酸盐实验;1927年,德国科学家EdmundGermer,FriedrichMeyer和HansSpanner研制的实验型荧光灯获得美国专利授权,专利号为USP2182732,美国GE公司为研制出实用的荧光灯购买了这一专利;而爱迪生在1896年就申请了荧光灯专利,1907年10月授权,专利号为USP865367,不过是通过X射线激发,并由此发明了荧光灯。1936年,在居里夫人巴黎实验室工作的乔治·优斯特里安发现了硫化锌在交变电场中的发光现象,这是一种电场激励发光的电光效应,称为电致发光或场致发光,简称EL(Electroluminesence)。20世纪50年代初,科学家开始研究场致发光机理,1958年,研制出实用的场致发光板(EL光源)。背光源最早产生于20世纪二战时期,用于军用设备上的仪表显示。1948年,西德Osram公司研制出碳短弧光灯,并在1951年开始销售碳短弧光灯,这是第一种用于投影的光源;1967年2月21日,ElmerFridrich制备的短弧氙灯获得美国专利授权,专利号为USP3305289,这种灯已用于汽车前灯照明,图18为1972年Thorn公司生产的CSI型1000W短弧氙灯。到20世纪70年代,研制出短弧金卤灯,这种灯具有更高的发光效率、更好的显色指数和更长的使用寿命。1953年,A.B.Bernanose等人最初在蒽单晶片的两侧加400V的直流电压时观测到发光现象,这是人类首次发现了有机材料的电致发光现象。1959年4月21日,GE公司ElmerG.Fridrich和EmmettWiley的卤钨灯获得专利授权,专利号为2,883,571,ElmerG.Fridrich等人研制出第一只卤钨循环白炽灯——碘钨灯,这是在石英泡壳的钨丝灯中充入卤化物,从而使其发光效率提高了1倍,达到20lm/W,寿命延长了1倍以上,长达2000~3000h,并具有较高的显色指数,图19为现今的碘钨灯。1963年,发明了溴钨灯。1966年3月26日,FrederickMosby发明的卤钨A灯获得授权,专利号USP为3243634,这种卤钨A灯可直接安装在白炽灯的螺纹插座上,见图20。1980年,美国Duro-Test公司推出二向色涂层球形灯,这种灯反射红外光而透过红外光,从而提高灯丝温度和发光效率,见图21。1962年,美国GE公司宣布研制出金卤灯,并在1964年应用于世界博览会上。1972年,德国慕尼黑奥运会第一次使用金属卤化物灯作为体育场馆照明。现今的金卤灯光效在80lm/W以上,金属卤化物灯的雏型可追溯到1912年GE公司CharlesProteusSteinmetz的美国授权专利USP1025932。在20世纪50年代末期,西德的OttoNeunhoeffer及PaulSchultz等人都进行了金属卤化物灯研究;1960年,GE公司的物理学家GilbertReiling采用钠和铊进行了金属卤化物灯试验;1961年,GilbertReiling申请了现今的金属卤化物灯专利,1966年授权,专利号为USP3234421。图22为1965年Sylvania公司生产的单端Na-Sc型400W金卤灯。1965年,Monsanto和惠普HP公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED,其光效为0.1lm/W;1968年,利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm/W,并且能够发出红光、橙光和黄色光,图23为1969年MonsantoMV2型的红色LED;1971年,研制出具有相同效率的GaP绿色LED,图24为LED基本结构示意图;1991年,日本Nichia(日亚)公司研制出蓝色LED;1996年,日本Nichia(日亚)公司研制出白色LED,图25为1996年研制成功的InGaN基LED。20世纪60年代,研究表明荧光灯的发光性能与使用的电源频率有很大关系,频率越高荧光灯发出的光通量越多。1973年,稀土三基色荧光灯问世,其显色指数Ra值为84,而普通荧光灯的显色指数为63,目前稀土三基色荧光灯显色指数Ra已达98。20世纪70年代末期,Philips公司推出了直径为26mm、功率为36W的细管径直管荧光灯T8,其光效比直径为38mm的荧光灯T12提高近20%,这一时期荧光灯用高频电子镇流器也研制成功;1976年,GE公司的EdwardHammer研制出螺旋形灯,即紧凑型荧光灯,见图26;1978年,Philips公司采用三基色荧光粉研制出细管径紧凑型高效节能荧光灯——PL灯以及与白炽灯使用方法相同的内藏镇流器的SL灯,光效达到50lm/W以上,这一光效值是白炽灯的4~6倍,从而开创了用紧凑型荧光灯CPL(单端荧光灯)代替白炽灯的新时代。20世纪90年代中期,出现了可调光的荧光灯用电子镇流器。1974年,国际照明委员会CIE正式公布了评价光源显色指数的方法。1979年,中国香港的C.W.Tang发现了有机蓄电池的发光现象,并开始了对有机电致发光(OLED)的研究,1987年,C.W.Tang和VanSlyke研制出具有双层结构的EL器件,获得了较高的发光亮度(1000cd/m2),并证明了小分子有机材料与金属半导体类似,能在电场作用下发光,亮度高,工作电压低,电光转换效率高。20世纪80年代,出现了LED背光源。1981年,英国Thorn照明公司在Hannover世界照明博览会展示了第一只TSH陶瓷金卤灯,其外观见图27,其功率为150W。最早的金卤灯专利出现在20世纪60年代。图28为1997年Philips公司生产的CDM-TD型150W双端金卤灯。1986年,日本明拓公司发明了导光板照明技术。1990年,日本松下公司首先推出灯具一体化的无极荧光灯,而无极灯的研制始于20世纪70年代,1976年,Philips公司的JanHasker申请了无极灯专利,专利号为USP4101185。现今的电磁感应无极荧光灯见图29。1991年,美国环境保护署首先发起实施“绿色照明”计划,提出“在保证照明质量的前提下,节约照明用电,减少因发电产生的SO2,CO2,NO2等废气和飘尘,达到保护环境的目的”。1990年7月,美国Fusion照明公司的MichaelUry和JimDolan进行了球形硫灯试验,这种灯发出了可见光,并带有少量紫外和红外光,微波硫灯见图30。1992年,国际电光源科技界提出了微波硫灯的新概念,在石英泡壳内充填硫和低压氩气,在频率为2450MHz微波驱动下,通过硫分子的振动能和转动能的跃迁,微波硫灯辐射出连续的可见光光谱。1994年,美国Fusion公司发明并推出了首个微波硫灯照明系统,其功率为3400W,其光效达120lm/W,寿命为60000h,显色指数为86,色温为6000K,其辐射光谱接近太阳光谱,可在很大范围内调光,并在任意方向点燃。1995年,荷兰飞利浦(Philips)公司开发超高压汞灯成功,其极距约为1.3mm,功率100W灯的寿命达12000h,在灯工作时,汞蒸气压可达200atm,由于汞蒸气压愈高,灯的亮度也越高,而且汞原子谱线宽度变大,分子连续谱与带电粒子复合光谱也更强,特别是595nm以上的红光辐射随灯内工作压强增大而增强,从而提高灯的显色性。1998年,白光LED的光效只有5lm/W;1999年,光效已达到15lm/W,这一值与家用白炽灯相近;2000年,白光LED的光效达到25lm/W,这一指标与卤钨灯相近。2003年,美国Cree公司推出了光效达65lm/W白光LED;2005年,美国Cree公司推出了光效达70lm/W白光LED,工作电流为350mA。2006年6月,日本Nichia公司开始提供光效为100lm/W的白光LED。2007年,Osram公司研制出高亮度白光LED,其光效接近130lm/W,图31为InGaN蓝光晶粒涂上一层钇铝石榴石YAG荧光材料发出白光的LED发光原理图。随着半导体技术的发展,研制开发出多种半导体发光材料,LED输出光开始只有红、黄和绿三种颜色,